O2 = 15%

i microrganismi fotosintetici convertono
l’energia luminosa in energia chimica
ENERGIA
luminosa
Molecole
complesse
Anabolismo
Energia chimica
Utilizzata per le sintesi della cellula batterica
batteri rossi sulfurei
(Chromatiaceae)
Cianobatteri
batteri verdi non sulfurei
(Chloroflexaceae)
batteri verdi sulfurei
(chlorobiaceae)
batteri rossi non sulfurei
(Rhodobiaceae)
PER UTILIZZARE L’ENERGIA LUMINOSA
SONO NECESSARIE LE CLOROFILLE
I Cianobatteri
Possiedono una
Clorofilla a
Come quella degli
eucarioti
I BATTERI ROSSI E VERDI
R2
R1
R3
hanno Batterioclorofille
R7
con picchi di assorbimento
diversi
R4
R5
R6
I PIGMENTI ACCESSORI
carotenoidi, ficobiliproteine;
ficoeritrina e ficocianina
catturano la luce da 470 a 630
(giallo-verde)
dove le clorofille non arrivano
Trasferiscono l’energia alla clorofilla
ampliano lo spettro utilizzabile e proteggono i batteri da una
eccessiva intensita’ luminosa
CLOROFILLE E PIGMENTI ACCESSORI
SONO RIUNITI IN “ ANTENNE”
antenna
(circa 300 molecole di clorofilla)
energia luminosa
centro di reazione
(trasporto fotosintetico di e-)
I BATTERI VERDI E ROSSI SULFUREI (ANAEROBI) SVOLGONO
UNA FOTOFOSFORILAZIONE ANOSSIGENICA E CICLICA
Chromatiaceae
Chlorobiaceae
le loro batterioclorofille assorbono luce
nell’intervallo 800-1100 nm
Il donatore di elettroni, per la fissazione di CO 2 è
H2S (o altri composti ridotti dello zolfo)
La clorofilla, colpita dalla luce,
cambia stato
Emette un elettrone ad alta energia
(ECCITONE)
l’eccitone genera una forza
protomotrice passando per una
catena di trasportatori
-1
840*
Fs
870*
Fd
Q
0
CIT
CIT
+0,5
870
CIT
+0,25
840
E0CIT
E torna alla batterioclorofilla che
riprende lo stato originale
Nelle Chromatiaceae, il potenziale dei chinoni (~0) è maggiore di quello dell’NAD+
(-0,32) che non può essere ridotto direttamente
-1
Parte dell’energia ottenuta è quindi spesa
per rigenerare il potere riducente
indispensabile per fissare CO 2
870*
NADH
0
Q
CIT
+0,5
CIT
Solfuri,tiosolfati
Acido succinico (rossi non sulfurei)
E0 > NADP+/NADPH
Nelle Chlorobiaceae, P840* assume un valore di E0 più fortemente
negativo; la ferro-zolfo proteina, attraverso la ferredossina,
può ridurre direttamente NAD+.
-1
L’energia si divide tra il pool di chinoni e la
ferredossina  ATP + NADH
840*
Fs
Fd
Q
0
+0,25
CIT
E0CIT
NADH
Composti ridotti dello zolfo possono anche
donare e- direttamente al citocromo C553
H2S / S2O32-
TRASFERIMENTO DIRETTO
H2 ha E0 tanto basso (-0,42 volt) da ridurre direttamente NADP (-0,32)
le specie che possiedono idrogenasi
(catalizza l’ossidazione di H2 )
Possono trasferire elettroni direttamente a NAD+
Idrogenasi !
Microrganismi fotoetrotrofi
batteri rossi e verdi non sulfurei;
archeobatteri alofili (Halobacteraceae)
usano l’energia luminosa ma non fissano CO 2 e
necessitano di fonti di carbonio organiche
O2
Luce
Assenza di O2
buio
Luce
fotosintesi
Respirazione
aerobia
buio
respirazione anaerobia/
fermentazione
nei batteri rossi non sulfurei ( Rhodobiaceae)
l’ossigeno inibisce la sintesi delle ICM
In anaerobiosi è presente un sistema di membrane che si diramano dalla
IM e supportano i pigmenti fotosintetici neoformati
T0
LUCE + ANAEROBIOSI
T4h
La transizione da respirazione a fotosintesi è completa nel giro di circa quattro ore
le Halobacteraceae non usano clorofille
Sono archibatteri aerobi e ossidano il carbonio
organico usando O2 come accettore
Vivono in ambienti dove la concentrazione salina
ostacola la respirazione ma la luce è forte
L’energizzazione della membrana è operata dalla batteriorodopsina, connessa a
un retinale che ne separa due emicanali interni
Luce
retinale cambia conformazione
emicanali si uniscono
la batteriorodopsina
trasferisce H+ all’esterno
Fotofosforilazione non ciclica:
Cianobatteri, proclorofite
due fotosistemi in tandem: acqua come donatore di
elettroni e ossigeno come prodotto di scarto
-1,2
0
PS-II con la
clorofilla “A” P680
P700
p680
+1,2
PS-I con la
clorofilla “A” (P700)
-1,2
PS-I e PS-II producono energia e potere riducente usando acqua come
donatore di elettroni formando ossigeno come prodotto di scarto
0
FNR
2NADP+
P700
p680
+1,2
PS-II
genera ATP
PS-I, riduce
NADP+ a NADPH
2NADPH
Entrambe le clorofille emettono un eccitone
Quello emesso da
P680 reintegra P700
-1,2
O2 +
4H+
0
2H2O
P680 (~1.3) può
sottrarre elettroni
all’acqua (+0,82)
+1,2
P700
p680
TRASPORTO INVERSO DI
ELETTRONI
(Rossi sulfurei e non sulfurei)
Termodinamicamente
SFAVOREVOLE
Attinge al potenziale di
membrana
batteriofeofitina
NAD+
Q
Cyt
c2
Cyt
bc1
eSolfuri,tiosolfati
Acido succinico
(rossi non sulfurei)
PQ
P700
P870
E0 > NADP+/NADPH
MODIFICAZIONE DELLA
FOTOFOSFORILAZIONE CICLICA
(verdi sulfurei)
Fe-S
Q
Cyt
c553
PQ
Cyt
bc1
ATP
2eP700
P840
NAD+
e- H2S / S2O32-
La presenza/assenza di OSSIGENO nella produzione di
energia è il risultato di una lunga storia
L’ossigeno è divenuto parte integrante
dell’atmosfera nel paleo-medio proterozoico
O2
O2
O2
La fotosintesi ossigenica dei cianobatteri
produsse tanto O2 da causarne una presenza
stabile nell’atmosfera
La presenza di vaste stratificazioni di ossidi di ferro nei
sedimenti fossili ha permesso di datare questo avvenimento
Paleoproterozoico: O 2 = 15%
O2 in
aumento
Anossico
Formazione microrganismi
della Terra anaerobi
4,5
4,0
3,5
Fotosintesi
ossigenica
3,0
2,5
Archeano:
O2 = 1%
Ricco di O2
Eucarioti
2,0
1,5
Animali
1,0
0,5
Presente
la respirazione aerobia si sviluppò in risposta all’aumentata tensione di O2
nell’atmosfera rappresentando un vantaggio come meccanismo di detossificazione e
di produzione di energia
I microrganismi “aerobi” che hanno
bisogno di ossigeno
Hanno dovuto anche evolvere strategie di difesa nei
confronti delle sue forme tossiche
3O
2
(ossigeno tripletto) è il normale stato di base dell’ossigeno
Durante molte reazioni foto o bio-chimiche, può
prodursi ossigeno singoletto ( 1O2 )
La forma singoletto ha una maggiore energia
e una grande reattività
Molto tossica
(provoca reazioni incontrollate)
1O
2
1O
2
1O
2
L’ossigeno singoletto è prodotto spesso in
ambienti fortemente illuminati
I microrganismi che vivono in ambienti dove sono esposti alla presenza di
ossigeno singoletto producono spesso pigmenti carotenoidi
ALTRE FORME TOSSICHE
Anione superossido
Perossido di idrogeno (H2O2 )
Radicale idrossile
O2-
H2O2
OH
.
Queste forme tossiche sono prodotte durante la riduzione
dell’ossigeno molecolare a H2O (respirazione)
O2
+
e-
O2-
+
e- +
H2O2
+
e-
.
+
e-
OH
O2-
H2O2
2H+
+
H+
+
OH
H+
.
H2O
H2O
La detossicazione è affidata a enzimi che eliminano
il perossido di idrogeno
catalasi
H2O2
H2O
O2
H2O2
H2O2
H2O
Le perossidasi hanno bisogno di cofattori riducenti
perossidasi
H2O2
H2O
NADH
H2O
H+
H2O2
NAD+
NADH
superossidodismutasi
O2-
O2-
H2O2
H+
O2
H+
O2-
Contro il prodotto più tossico, il radicale ossidrile (OH. ) non ci sono
enzimi ma la rimozione di H2O2 ne previene la formazione
La produzione di energia serve anche a
costruire le componenti della cellula
batterica
Oltre all’energia sono necessari i “nutrienti”
carbonio
azoto
zolfo
fosforo
oligoelementi
Le tecniche di coltivazione in
coltura axenica
Usando terreni chimicamente definiti
ci hanno permesso di comprendere le esigenze
nutrizionali di diverse specie microbiche
A seconda della quantità richiesta le sostanze si dividono in
MACRONUTRIENTI
micronutrienti
MACRONUTRIENTI -1
CARBONIO
AZOTO
FANNO PARTE DEI
COMPONENTI
STRUTTURALI DELLA
CELLULA BATTERICA
OSSIGENO
IDROGENO
ZOLFO
FOSFORO
CARBOIDRATI
PROTEINE
LIPIDI
ACIDI
NUCLEICI
MACRONUTRIENTI -2
POTASSIO
 NECESSARIO A TUTTI
 ATTIVA ENZIMI
MAGNESIO
 NECESSARIO A TUTTI
 COFATTORE PER ENZIMI
 STABILIZZA RIBOSOMI,
 MEMBRANA , ACIDI NUCLEICI
FERRO
 NECESSARIO A TUTTI
 COSTITUENTE DI CITOCROMI
 COSTITUENTE DI ENZIMI
SODIO
 NECESSARIO- MA NON A TUTTI
(ORGANISMI MARINI)
CALCIO
 NECESSARIO MA NON A TUTTI
 STABILIZZA LA PARETE
 COMPONENTE DELLE ENDOSPORE
MICRONUTRIENTI
COBALTO
SINTESI DI VITAMINA B12
ZINCO
IN METALLOENZIMI E ALTRE
PROTEINE
MOLIBDENO
NELLA NITROGENASI E ALTRI
ENZIMI AZOTO-RIDUTTORI
RAME
IN ENZIMI DELLA RESPIRAZIONE
MANGANES
E
ATTIVATORE DI ENZIMI
NICKEL
NELLE IDROGENASI
monodermi
Il reticolo di peptidoglicano lascia
passare acqua e soluti
La barriera idrofobica è la
membrana interna
didermi
acqua + soluti,
idrofile fino a
600-700 Da
PORINE
La prima barriera idrofoba è la OM
Eccezioni:
per B12 (energizzata?)
Per disaccaridi
Per chelati organici del ferro
Le molecole idrofobe e quelle idrofile di grandi dimensioni
devono essere trasportate attraverso IM
TRASPORTO PASSIVO
Lungo il gradiente
DIFFUSIONE SEMPLICE
SISTEMA PTS
(traslocazione di gruppo)
Il substrato è modificato:
Non c’è gradiente
DIFFUSIONE FACILITATA
TRASPORTO ATTIVO
Contro gradiente
Non modifica il substrato
ASSOCIATO A IONI
ABC
DIFFUSIONE SEMPLICE
POCHI NUTRIENTI
O2 CO2 H2O
DIFFUSIONE FACILITATA
da permeasi situate nella
membrana plasmatica
TRASPORTO ATTIVO
trasportatori “ABC”
(ATP-Binding Cassette)
ASSOCIATO A IONI
SPENDE ENERGIA
NON MODIFICA IL SOLUTO
DESTINATO AI SOLUTI DA
ACCUMULARE NEL CITOPLASMA
TRASPORTATORI “ABC”
Il substrato si attacca alla proteina
di legame
proteina che lega il
substrato
proteina che trasduce energia
idrolizzando ATP
ATP
viene trasferito al trasportatore che
cambia conformazione
ADP
E lo trasporta all’interno della cellula, a
spese dell’ATP
trasportatori ABC: transmembranari
(sfruttano l’energia di membrana)
12 alfa-eliche
X
uniporto
X
H+
simporto
X
X
antiporto
H+
UNIPORTO
1
2
SIMPORTO
1
2
antiporto
1
2
3
4
PER TRASLOCAZIONE DI GRUPPO
(sistema PTS)
non c’è gradiente: la molecola all’interno della
cellula è diversa da quelle all’esterno
effettuata da proteine
(fosfotransferasi) localizzate
nella membrana
CHE MODIFICANO
(FOSFORILANO)
IL SUBSTRATO DURANTE IL
TRASPORTO
La molecola trasformata non
può passare attraverso la IM
Il ferro è essenziale per quasi tutti i microrganismi
Ma in alcuni ambienti è molto scarso
!
Fe3+
Per esempio in mare è quasi assente: i batteri
marini hanno SIDEROFORI estremamente
efficienti
molecole chelanti, a basso peso
molecolare
Fe3+
complessano Fe3+ e lo cedono a un
recettore proteico per l’ingresso nella
cellula
Fe3+
dove viene ridotto a Fe2+
3+
Fe2+
Fe
in altri ambienti è molto ben protetto
Fe Fe
Fe
transferrina
Fe
lattoferrina
I batteri patogeni devono riuscire a strappare il ferro a
proteine eucariotiche, con altissima affinità
SECREZIONE
Esterno
Molte proteine devono poter essere uscire dalla
cellula per svolgere la loro funzione
Far passare loro la membrana
citoplasmatica è compito dei
sistemi di secrezione
-SEC (sistema generale di
traslocazione)
-TAT /twin arginine traslocase
Periplasma
SEC: già prima della fine della traduzione, la preproteina è legata da una chaperonina
(SecB) e raggiunge l’apparato Sec in conformazione idonea alla traslocazione
periplasma
Le traslocasi Sec(YEG) formano
un canale transmembrana
le proteine destinate alla secrezione
sono avviate al traslocone dalle SRPs
Nei batteri didermi sistemi il passaggio attraverso la membrana esterna è mediato da
sistemi di secrezione specializzati dipendenti o meno da Sec/Tat
SEC-dipendenti
T2SS, T5SS (T4SS)
Traslocano proteine che
sono state portate al
periplasma da SEC/TAT
SEC-indipendenti
T1SS T3SS (T4SS)
Traslocano proteine
direttamente senza
l’intervento di SEC
T1SS SEC-INDIPENDENTE: le proteine sono
trasportate in un singolo passo
forma un canale semplice e continuo che
attraversa la IM e la OM
trasporta molecole diverse da ioni
a proteine fino a 900 kDa
periplasma
un fattore di virulenza esportato
da T1SS è l’emolisina di E. coli
T2SS: la proteina viene avviata oltre la membrana esterna
da un complesso di 12-14 proteine che formano un poro
La maggior parte delle tossine di tipo A/B è esportata
attraverso il sistema di secrezione di tipo II
periplasma
ALTRI SISTEMI DI SECREZIONE SONO TIPICI DEI BATTERI
PATOGENI GRAM-NEGATIVI
T5SS (AUTOTRASPORTATORI) proteine
traslocate da Sec o Tat nel periplasma
Inseriscono nella OM l’estremità C-terminale
che permette l’uscita della zona centrale
della proteina (dominio “passeggero”)
Formando una struttura a “barile”
(beta-barrel)
periplasma
T3SS (SEC-INDIPENDENTE) :
tipico di alcuni patogeni didermi
trasloca le proteine (effettori) non processate,
direttamente nel citoplasma della cellula ospite
I determinanti si trovano spesso
all’interno di PAI, a volte su plasmidi
i T3SS sia attivano al contatto
con la cellula dell’ospite
Gli effettori passano attraverso un ago
macromolecolare formato dalle proteine strutturali
periplasma
I TTSS si sono evoluti dal sistema di
esportazione dei monomeri di flagellina
L
P
S
M
T3SS
T4SS può traslocare anche DNA
Trasloca proteine direttamente da citoplasma a citoplasma
(come i T3SS)
Ma può traslocare anche proteine
portate nel periplasma da Sec
Attraverso componenti
comuni al T2SS
periplasma
Cellula ospite
i sistemi di tipo IV derivano dai sistemi di
coniugazione
pilo
L’ago molecolare ha la
struttura dei pili di tipo IV
Un esempio di tossina secreta attraverso
questo sistema è CagA di Helicobacter pylori